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TOYOTA PRODUCTION ENGINEERING CORPORATION

Abteilung für Gießen, Schmieden, Antriebsstrang- und Hybridfahrzeug-Engineering
Abteilung für Produktionstechnik für Antriebsstränge und Antriebssysteme für Hybridfahrzeuge

Herr Shuichi Miyashita

Dank des 3D-Druckers ist es gelungen, die Anzahl der Nachbesserungen beim Produktdesign um 60% und die Durchlaufzeit um 15% zu reduzieren. Darüber hinaus hat er innerhalb des Unternehmens eine neue Innovationswelle ausgelöst und zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit beigetragen.

Die TOYOTA PRODUCTION ENGINEERING CORPORATION (nachfolgend„TPEC“), eine hundertprozentige Tochtergesellschaft der Toyota Motor Corporation, ist auf Digital Engineering spezialisiert. Das Hauptaugenmerk von TPEC gilt der Konstruktion effizienter Produktionsanlagen und -prozesse sowie der Produktvorbereitung für die Produktion. Dabei kommen hochmoderne Technologien wie etwa 3D-basierte, CAE-basierte oder anderweitige softwarebasierte Simulationen zur virtuellen Prüfung von Produkten, Prozessen, Einrichtungen und Ausrüstungen zum Einsatz. Im Vergleich zu bisherigen 2D-Entwicklungsmethoden lassen sich sicherere und hochwertigere Produkte erzeugen. TPEC nutzt seit September 2015 als neue digitale Technologie den hochauflösenden 3D-Drucker AGILISTA. Der Drucker hat seither nicht nur zur Produktivitätssteigerung von TPEC beigetragen, sondern auch eine neue Innovationswelle innerhalb des Unternehmens ausgelöst. In diesem Artikel sprechen wir mit Herrn Shuichi Miyashita von der Abteilung für Gießen, Schmieden, Antriebsstrang- und Hybridfahrzeug-Engineering, der für die Anschaffung und Handhabung des AGILISTA bei TPEC verantwortlich zeichnet. In unserem Gespräch geht es darum, wie es zur Anschaffung des AGILISTA kam, und welche Vorteile der Drucker dem Unternehmen bringt.

Die Problematik extern durchzuführender Produktprüfungen

TPEC entwickelt neue hardware- und softwarebasierte Werkzeuge für den Industriebereich. Zur Ermittlung der tatsächlichen Funktionsweise vor Ort sind umfangreiche Prüfungen erforderlich.
„Bestimmte Faktoren wie die Haptik des Materials, die allgemeine Ausgewogenheit des Produkts oder die Auswirkung unterschiedlicher Werkzeuge oder der manuellen Bedienung des Produkts lassen sich nicht mit reinen Bildschirmdaten ermitteln. Um die Genauigkeit unserer Ausrüstungsdesigns zu erhöhen, ist es wichtig, dass wir Prüfungen mit tatsächlichen Prototypen durchführen.“
Der AGILISTA ist der erste 3D-Drucker bei TPEC. Davor war das Unternehmen kaum in der Lage, echte Prototypen intern herzustellen. Da die Prüfungen nicht intern durchgeführt werden konnten, wurden dem Kunden in der Regel 3D-Daten der Zeichnungen bereitgestellt. Wenn sich nach der Fertigstellung der Ausrüstung Probleme zeigten, wurde das Design überarbeitet. In den Fällen, in denen ein Prototyping unerlässlich war, wurden Spezialfirmen damit beauftragt. Die Prüfung und Überarbeitung in der Prototyping-Phase oder nach der Fertigstellung des Produkts war enorm arbeits- und zeitintensiv und mit einem hohen Kostenaufwand verbunden. Darüber hinaus wurde das externe Prototyping aus Zeitgründen oft auf ein absolutes Minimum beschränkt. Dies wiederum führte häufig zu unzureichenden Prüfungen. „... Prüfungen sollten nicht die Aufgabe des Kunden sein. Wenn wir sie intern durchführen, können wir die Genauigkeit erhöhen.“ Diesem Thema gilt das Hauptaugenmerk von Herrn Miyashita.

Wir sollten unverzüglich einen 3D-Drucker anschaffen!
Mit diesen Worten vom Geschäftsführer des Unternehmens wurde der AGILISTA angeschafft

Egal ob HF (Hybridfahrzeuge), PHF (Plug-in-Hybridfahrzeuge), EF (Elektrofahrzeuge) oder BZF (Brennstoffzellenfahrzeuge) – in der Automobilindustrie werden derzeit zahlreiche neue Technologien eingeführt. Neben der Anzahl der Spezialisten nimmt auch die Bedeutung der Kommunikation vor Ort zu. Mit tatsächlichen Prototypen lassen sich Designkonzepte detaillierter und somit genauer vermitteln. Auf diese Weise reduziert sich gegenüber der reinen Verwendung von Zeichnungen die Anzahl an Nachbesserungen.
Wiederholte Prüfungen mithilfe von tatsächlichen Prototypen tragen zur Verbesserung der Qualität und Funktionalität eines Produkts bei. Wenn Prüfungen jedoch wie zu jener Zeit bei TPEC dem Kunden überlassen oder anhand von extern gefertigten Prototypen durchgeführt (und zur Kosteneinsparung begrenzt) werden, führt dies oft zu unzureichenden Ergebnissen und umfassenden Nachbesserungen.
Herr Miyashita war überzeugt, dass sich diese Probleme nur durch die Anschaffung eines 3D-Druckers lösen ließen. „Wir hatten uns bereits eine Zeit lang mit der Anschaffung eines 3D-Druckers beschäftigt, wussten aber nicht genau, wie wir diese gegenüber unserem Geschäftsführer begründen sollten. Aufgrund der stetig steigenden Arbeitslasten waren wir jedoch an einem Punkt angelangt, an dem die Einführung eines 3D-Druckers zur Verbesserung der Designgenauigkeit unausweichlich war. Wir entschieden, unseren Geschäftsführer direkt mit der Problematik zu konfrontieren.“
„Wir brauchen unbedingt einen 3D-Drucker!“
Die Reaktion war etwas überraschend ...
„Nachdem ich die Situation geschildert hatte, meinte der Geschäftsführer: ‘Wir sollten unverzüglich einen anschaffen.’ Während wir uns noch Kopfzerbrechen hinsichtlich der Angelegenheit gemacht hatten, war uns unser Geschäftsführer bereits mehrere Schritte voraus. Er war in der Tat verärgert, dass wir das Thema nicht früher angesprochen hatten!“

Ausschlaggebend für die Anschaffung des AGILISTA waren dessen Genauigkeit und Auflösung.

Mit dem AGILISTA gedruckte Zahnrad- und Schraubenmodelle. Durch die hohe Auflösung des Druckers lassen sich sogar ineinandergreifende Zahnräder nachbilden. Auch Farbdrucke sind möglich.

Um auch tatsächlich den optimalen 3D-Drucker anzuschaffen, führte Herr Miyashita Vergleichstests zwischen den Produkten von etwa zehn verschiedenen Herstellern durch. Die primären Auswahlkriterien bei diesen Tests waren:

  • Hohe Auflösung
  • Einfache Verarbeitung von Supportmaterial

„Wir benötigen eine hohe Genauigkeit der Bauteile im Bereich von 1/100 mm, um Baugruppen direkt zusammenzusetzen und testen zu können. Zahlreiche große Autoteile und Fertigungsanlagen können nicht in ihrer Originalgröße in 3D gedruckt werden. Mit einer hohen Auflösung lassen sich jedoch auch mit Miniaturmodellen hinreichende Prüfergebnisse erzielen. Die Fertigung kleinerer Modelle ist in der Tat schnell, einfach und kosteneffektiv, sodass wir uns auf die Designgenauigkeit konzentrieren können.“
Was die Materialarten betrifft, „... bei der Designprüfung ist es nicht erforderlich, sich groß Gedanken bezüglich der Materialien zu machen, da sich die Funktionsweise schichtweise aufgebauter Bauteile nicht beurteilen lässt. Zur Prüfung der Funktionen empfiehlt es sich, dem 3D-Druck einen maschinell hergestellten Prototyp vorzuziehen.“ Die Wahl fiel somit auf eine transparente Druckform.
Nach diversen Vergleichstests auf verschiedenen Druckern, die diese Punkte erfüllten, entschied sich Herr Miyashita schließlich für den AGILISTA 3D-Drucker von KEYENCE.
Herrn Miyashita zufolge gab es neben den drei Hauptpunkten offensichtlich noch einen weiteren Grund, warum er sich für den AGILISTA entschied: die 3D-Spezialsoftware „Modeling Studio“.
„Die Benutzeroberfläche von Modeling Studio ist intuitiv und leicht verständlich. Die Software wird mit einem Handbuch geliefert, aber wir kamen auch so sehr schnell damit zurecht. Ich bin mir nicht sicher, ob bisher überhaupt jemand das Handbuch benötigt hat.“
Als es um die Auswahl des Druckertyps ging, wandte sich Herr Miyashita an den Geschäftsführer. „Er meinte, wir sollten uns endlich entscheiden und so schnell wie möglich den gewünschten 3D-Drucker besorgen. Unsere Unschlüssigkeit nervte ihn.“.

Die Vorteile des AGILISTA

Herr Miyashita hält ein mit dem AGILISTA gedrucktes, integriertes Miniaturmodell. Die Zahnräder funktionieren trotz der geringen Größe.

Die Nutzung des AGILISTA hat für TPEC zahlreiche Vorteile gebracht.
Das anfängliche Hauptziel war die Effizienzsteigerung. Im Vergleich zur Situation vor der Anschaffung des AGILISTA konnte jedoch auch die Anzahl der erforderlichen Nachbesserungen aufgrund von Designfehlern um 60% reduziert werden. Auch die Durchlaufzeit des Entwurfsprozesses wurde um 15% verkürzt, was sich ebenfalls positiv auf die Arbeitseffizienz ausgewirkt hat.
„Modelle wie diese (siehe nachfolgende Abbildung) lassensich beispielsweise als eine funktionale Einheit drucken. Diese erleichtert es uns, dem Kunden gegenüber Optimierungsvorschläge für die Montage zu erläutern, indem wir sie ihm tatsächlich zeigen können. Der Kunde kann darüber hinaus seine Meinungen und Anforderungen schnell auf eine Weise äußern, die mit reinen Zeichnungen nicht möglich war. Bereits dies hat zweifelsohne enorm dazu beigetragen, die Anzahl der Nachbesserungen zu reduzieren.“

Darüber hinaus hat der AGILISTA eine Welle der Innovationen innerhalb des Unternehmens ausgelöst. „In meiner Abteilung arbeiten rund 100 Mitarbeiter, von denen aber nur etwa sieben oder acht den AGILISTA regelmäßig nutzen. Diese Mitarbeiter haben jedoch permanent neue Ideen, die sie jetzt tatsächlich drucken und testen können.Zunächst waren wir davon ausgegangen, dass der AGILISTA nur von der Designabteilung verwendet werden würde. Doch die Anwendungen werden auch von anderen Abteilungen des Unternehmens genutzt, was bereits zu einer Reihe neuer Produkte und Ideen geführt hat.“
Mit dem AGILISTA eröffnen sich ganz neue Möglichkeiten. Dies beflügelt den Trend hin zum „Trial-and-Error“-Design. Die Reservierung eines Termins für die Nutzung des AGILISTA ist daher mittlerweile schwierig geworden. „Wir haben den Drucker zwar erst sieben Monate, betreiben ihn aber bereits mit voller Kapazität. Im vergangenen Monat (März 2016) war er komplett ausgebucht ... nicht einmal an den Wochenenden oder Feiertagen gab es noch freie Kapazitäten! Ich habe es die ganze Zeit über nicht geschafft, den Drucker zu nutzen. Es war unglaublich! Und das, obwohl ich für seine Anschaffung gesorgt habe.“

Anwendungsbeispiele für den AGILISTA

01

Am Anfang steht der Entwurf der Ausrüstung, Vorrichtungen und sonstigen Formen. Wenn Verbesserungen oder Anpassungen erforderlich sind, werden diese anschließend mit dem AGILISTA erstellt und geprüft. Bei dieser Vorrichtung geht es darum, ein reibungsloses Zusammenspiel der Zahnräder sicherzustellen. Die Bauteile werden daher als 3D-Modell für das Prototyping gedruckt (rot markierter Abschnitt). Anschließend wird seine Funktionsweise getestet. Bei Bedarf erfolgt ein weiteres Trial-and-Error- Prototyping bis zur Fertigstellung des endgültigen Designs. Die obere Zeichnung zeigt mehrere während des Designprozesses vorgenommene Überarbeitungen und Änderungen – angefangen von handgezeichneten Designdokumenten über 3D-Daten bis hin zum tatsächlichen Prototyp

02

Da bestimmte Teile während des Fertigungsprozesses mit heißem Wasser in Berührung kommen, wurde mit dem AGILISTA eine wasserdichte Abdeckung für die Anschlussklemmen gedruckt. Durch das Hinzufügen der wasserdichten Abdeckung war eine Art Haken erforderlich, um die richtige Formgebung und Dichtungsrichtung sicherzustellen. Diese Art von Teilen maschinell herzustellen, ist jedoch schwierig. Es gilt dabei, Faktoren wie die Mindestgröße der Serie sowie weitere kostspielige Probleme zu berücksichtigen. Mit dem AGILISTA lässt sich die exakte Stückzahl hingegen schnell und kostengünstig fertigen (45 Stück in ca. 20 Stunden). Außerdem fördert er die Entwicklung benutzerfreundlicher Produkte, die sich beispielsweise gut stapeln lassen.

03

Der AGILISTA druckt auch Gehäuse für industriell genutzte Abstandssensoren zur Ermittlung von Abständen bei Messprodukten und 3D-Scannern. Um die interne Struktur leichter verständlich zu machen, wurde eine Reihe unterschiedlicher Ideen und Erfindungen in das Design integriert und transparentes Druckmaterial verwendet.

Verwendung eines hochauflösenden 3D-Druckers getreu dem Slogan: „Making Ever-better Cars“

Er ist so leise, dass die Besprechungen im Konferenzraum nebenan trotzdem ungestört möglich sind.

Die Hauptkunden von TPEC sind die Toyota Motor Corporation und deren Konzernunternehmen. Sie alle arbeiten getreu dem Slogan „Making Ever-better Cars“.
Um die stetig wachsenden Arbeitslasten und Anforderungen zu erfüllen, gilt es, bestehende Methoden zu überarbeiten und die Effizienz zu steigern. Die Nutzung digitaler Technologien ist dabei unerlässlich. Es ist zu erwarten, dass die Anforderungen an TPEC auch in Zukunft steigen.
„Die Zahl der Mitarbeiter, die mich in letzter Zeit nach Prototypen gefragt haben, um ihren Vorgesetzten Konzepte besser erklären zu können, hat zugenommen. Zur schnellen Steigerung der Effizienz ist es erheblich einfacher, Ideen anhand von speziell gefertigten Prototypen zu erläutern, als mit Zeichnungen und Daten. Selbst unvermittelte Anforderungen lassen sich umgehend erfüllen. Wir brauchen sie lediglich umzusetzen, zu testen und anschließend einen Prototyp zu erstellen. Dies erleichtert Diskussionen mit unseren Vorgesetzten erheblich, und die Anzahl der Nachbesserungen geht stark zurück. Zwischen dem früheren und dem heutigen Prototyping liegen Welten.“ Herr Miyashita ist offensichtlich bestrebt, die Nutzung von 3D-Druckern voranzubringen – angetrieben vom TPECKonzept: „Making Ever-better Cars“.
„Wir arbeiten jedoch bereits mit voller Kapazität, auch an den Wochenenden. Ich denke daher, dass wir einen weiteren Drucker brauchen.“
Es wird somit vermutlich nicht lange dauern, bis Herr Miyashita seinen zweiten Drucker bekommt.

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Über 3D-Drucker
Produktinformationen
Beispiele für die Nutzung bei unseren Kunden
3D-Drucker und zugehörige Themen > 3D-CADGrundkenntnisse
3D-Drucker und zugehörige Themen > Grundkenntnisse über Materialien für 3D-Drucker
3D-Drucker und zugehörige Themen > Optimierung der Produktivität mittels 3D-Drucker
Einfluss von 3D-Druckern und Simulationssoftware auf den Design- und Entwicklungsprozess
3D-Drucker und zugehörige Themen > Leitfaden zur Bedeutung von 3D-Druckern für die Herstellung von Gussformen